目录一、设计任务 (2)二、确定设计方案 (3)三、确定物性参数 (7)四、计算总传热系数 (7)五、估算传热面积 (8)六、工艺结构尺寸 (9)七、换热器核算 (11)八、结构设计 (15)九、参考资料 (20)一设计任务1.1 设计内容本次设计任务为列管式换热器工艺设计，用冷水冷却煤油。

煤油作为热流体，其入口温度为140°C，出口温度为60°C；水作为冷流体，入口温度为30°C,出口温度为40°C。

该换热器采用循环冷却水冷却，考虑到冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的关闭温和壳体壁温之差较大，所以初步确定选用带膨胀的固定管板式换热器。

煤油的处理量不大于10t/h。

1.2 设计要求1.准备工作查阅资料、手册等有关物性数据。

（注：水的物性参数在课本上找的，煤油的物性参数在《工程常用物质的热物理性质手册》这本书上找的，由于此书年代已久，有些参数会有偏差，但是我没有在其它资料上找到煤油的物性参数。

）2、设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。

3、绘制列管式换热器的设计条件图(A1#图)。

4、设计结果汇总5、对设计过程的评述和的有关问题的讨论6、编写课程设计说明书二、确定设计方案换热器的用途多样，不过一般只有两种用途被经常使用，一是降温；二是加热。

是通过换热器将一种介质中的部分热量传递到另一种介质。

换热器是实现化工生产过程中和热量交换和传递不可缺少的设备。

而在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此要求换热器的的材料具有强抗腐蚀性，可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、锆等金属材料制成。

但石墨、陶瓷等非金属材料制成的换热器易碎、体积大、导热差等缺点，但钛、锆等稀有金属制成的换热器又较为昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并会产生晶间腐蚀。

1.1 换热器的分类与特点换热器分为很多类，可以按照用途划分，可以分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

加热器是把流体加热到必要的温度而使用的热交换器，被加热的流体没有相变化。

冷凝器是用于冷却凝结性气体，并使其凝结液化的热交换器。

若使气体全部冷凝，则称为全凝器，否则称为分凝器。

按热量交换原理和方式划分混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。

混合式换热器：冷、热流体直接接触和混合进行换热。

这类换热器结构简单，价格便宜，常做成塔状。

间壁式换热器：冷、热流体通过将它们隔开的固体壁面进行传热，这是工业上应用最为广泛的一类。

按照传热面的形状及结构特点又可将其分为：管式换热器、板式换热器、扩展表面式换热器。

1.2 列管式换热器在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。

其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。

列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。

1.3 固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。

最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。

当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50℃以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。

一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。

壳程压强超过6×105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。

1.4 浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。

这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。

缺点是结构复杂，造价高。

1.5 U型管式换热器此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。

由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。

缺点是U型管的更换及管内清洗困难。

考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ℃，而且应用广泛，操作简单、方便。

用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。

1.6 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

1.7换热器的选型本设计任务是利用冷流体（水）给煤油降温。

利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。

选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。

不同的换热器适用于不同的场合。

换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。

而列管式换热器在生产中被广泛利用。

它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。

尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。

所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。

1.8 换热器内冷热流体通道的选择冷、热流体流动通道的选择的一般原则：1)不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。

2)腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。

3)压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。

4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。

5)流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。

但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。

6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。

7)需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。

由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。

1.9换热管的选择选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。

大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。

我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。

在此项目设计中选择换热管的规格为φ25×2.5碳钢管，管内流速取u i =0.5m/s三、确定物性参数定性温度：可去流体进口温度的平均值。

壳程油的定性温度为T=260140+=100(°C)管程冷却水的定性温度为T=24030+=35(°C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

油在100°C 下的有关物性数据如下：密度 ρ0=766 ㎏/ m 3定压比热容 c 0p =2.38 kJ/（kg •℃）导热系数 0λ=0.104 （W/m.°C ）粘度 μ0=54.5×10-5（Pa •s ）循环冷却水在35°C 下的有关物性数据如下：密度 ρi =994 ㎏/ m 3定压比热容 c pi =4.08kJ/（kg •℃）导热系数 i λ=0.626 （W/m.°C ）粘度 μi =72.5.5×10-5（Pa •s ）四、计算总传热系数1、热流量Q 0=m 0 c 0p t 0=10000 x 2.38 x (140-60)=1.904 x106(kJ/h)=529（kW ）2、平均传热温差m t /∆=()()()()[]C)(66.333040/60-140ln 304060140 =----=3、冷却水用量=-=∆=)3040(08.419040000x t c Q w i pi i 46666.7 (kg/h)4、总传热系数K1000013670000725.09945.002.0Re >=⨯⨯==i ii i u d μρ故采用下式计算i α： C W/m 27318812.13.20333.31023.0626.06175.208.4000725.09945.0020.0020.0626.0023.0023.024.08.04.08.0︒⋅=⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμρλαp i i i i i i i c u d d壳程传热系数假设壳程的传热系数 2900=αW/（m .2°C ）污垢热阻C/W m 000172.0C/Wm 000344.022︒⋅=︒⋅=so si R R管壁的导热系数C W/m ︒⋅=45λ2901000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02731025.0111++⨯⨯++⨯=++++=oso m o i o si i i o R d bd d d R d d K αλα 003448.0000172.0000062.000043.0000457.01++++==218.86C W/m 2︒⋅五、估算传热面积考虑15%的面积裕度，2m 2.8473315.115.1=⨯='=S S23m 73366.335.21410529=⨯⨯=∆='m t K Q S六、工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用5225.Φ⨯的碳钢换热管，管内流速m/s 50.u i =2.管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数8407.835.002.0785.0)3600994/(7.46666422≈=⨯⨯==x u d Vn i i s π（根） 按单管程计算所需换热管的长度m 77.12025.014.3842.84=⨯⨯==o s d n S L π 按单管程设计，传热管过长，现取传热管长m 6=l ，则该换热器的管程数为2677.12≈==l L N p （管程） 传热管的总根数168284=⨯=N （根）3.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数8304060140091.030140304012211112=--=--==--=--=t t T T R t T t t P按单壳程双管程结构，查单壳程R P φ--图，因091010.P R ==，在图上难以读取，因而相应以R /1代替R ，PR 代替P ，查同一图线得820.φ=平均传热温差C 6.2766.3382.0 =⨯=∆m t4.传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。